Столбчатые фундаменты под стальные колонны расчет

Как рассчитать столбчатый фундамент?

Основания под металлические колонны

Чертеж железобетонного фундамента для металлического изделия

Под колонны из металла выполняют монолитные железобетонные основания.

Подколонники оборудуются анкерными болтами для фиксации колонного башмака. Их изготавливают сплошными, без стаканов. Верхнюю часть подколонника располагают так, чтобы металлический колонный башмак и верх анкерных болтов были скрыты.

Если проектирование предусмотрело заглубление металлических колонн более 4 м, то в этом случае применяют сборные железобетонные подколонники, которые производят так же, как и двухветвенные колонны. Эти элементы снизу фиксируются в стакане основания, а верхние их части крепятся с помощью анкерных болтов. Фундамент под смежные колонны монтируется общим даже тогда, когда они изготовлены из различного материала (железобетон и сталь).

Расчет фундаментов

Вертикальная нагрузка на уровне спланированной отметки земли N=251,58 кН, Nn=211,37 кН.

Условное расчетное сопротивление основания, сложенного гравийно-галечниковым грунтом, определяем по табл. 45/16/ Ro = 0.6 МПа.

Вес единицы объема фундамента на его обрезах гmt=20 кН/м3.

Бетон тяжелый класса В 20; Rbt=0,9МП; Rb=11,5 МПа; гb2=1;

арматура класса А-II; Rs=280 МПа.

Высоту фундамента предварительно принимаем равной 40 см, глубину заложения фундамента 40 см.

Площадь подошвы фундамента определяем по формуле 2.6:

А=N/(R0 -гmth)=251,58/(0,6·103-20·0,9) = 1,34 м2.

Размер стороны квадратной подошвы а=v1,34=1,15м.

Фундаментную плиту принимаем из монолитного железобетона площадью А=1,21,2=1,44 м2.

Вес фундаментной плиты:

Вес грунта на обрезах фундамента:

Среднее давление под подошвой фундамента определяем по формуле 2.24:

Рср=N+ Gф+ Gгр/Аф=211,37+14,4+23,1/2,56=98,97 кН/м2.

Определяем расчетные нагрузки от веса фундамента и грунта на его обрезах:

Среднее расчетное давление под подошвой фундамента определяем по формуле 2.24:

рсрp=Nр+ Gфр+ Gпр+ Gгрр/Аф=251,58+15,84+27,72/1,44=204,9 кН/м2.

Поперечная сила у грани колонны определяем по формуле 2.25:

QI= рсрp·b·(l-lк/2)=204,9·1,2· (1,2-0,4/2)=245,88 кН;

Расчет на действие поперечной силы можно не производить если выполняются условия 2.26:

QI b3·Rbt·b·ho, где

b3=0,6 — коэффициент для тяжелого бетона;

Rbt=0,9 МПа (см п. 2.2.);

QI=245,88 кН 0,6·0,9·103·1,2·0,4=259,2 кН.

Принимаем окончательно фундамент высотой 40 см,

При увеличении толщины плиты условие выполняется, следовательно, установка рабочей арматуры не требуется, и расчет на поперечную силу не производится.

При проверке условия 2.27:

Q= рсрp·b 1,5·Rbt·b·ho2/c, где

длина проекции рассматриваемого наклонного сечения.

Получили что с0, следовательно, фундаментной плите наклонные трещины не образуются.

Расчет на продавливание выполняем по формуле 2.28:

F=Nр- рсрp·A= 251,58-245,88·1,44 0

площадь основания пирамиды продавливания.

Так как продавливающая сила F 0, это означает, что размер пирамиды продавливания больше размеров фундамента, то есть прочность фундамента на продавливание обеспечена.

Определяем расчетные изгибающие моменты в сечениях по формуле 2.31:

MI=0,125 рсрp (l- lк)2b=0,125·245,88(1,2-0,4)2·1,2=23,6 кН·м;

Площадь сечения арматуры

Принимаем нестандартную сварную сетку с одинаковой в обоих направлениях рабочей арматурой из 8 стержней 12 A-II с шагом s=15 см (AS=9,05 см2).

Процент армирования расчетных сечений

Упругопластический момент сопротивления сечения фундамента у грани колонны по формуле 2.37 равен:

По табл.4.4 находим расчетное сопротивление растяжению для второй группы предельных состояний Rbtn = 1,4 МПа.

МcrcI = 1,4 · 0,256 = 0,358 МН·м

Проверяем выполнение условия 2.39 :

М — момент в поперечном сечении фундамента от нормативной нагрузки.

МI=0,125·204,9(1,2-0,4)2·1,2=19,67 кН·м МcrcI= 0,358 МН·м.

Следовательно, трещины в теле фундамента не возникают.

Промежуточные подсчеты нагрузки основания на грунт

Общий показатель нагрузки, создаваемой ленточной опорой на почву, высчитывается следующим образом: объем фундамента умножается на плотность материала, заложенного в его первооснову, и делится на квадратный метр площади основания. Объем при этом следует вычислять как произведение глубины размещения на толщину слоя опоры.

Как правило, на этапе предварительных вычислений последний показатель принимается, как толщина боковых стен.

1. Площадь основания – 20 кв.м., глубина размещения – 80 см, объем основания 20 х 0,8 = 16 м куб.
2. Вес основания, выполненного из железобетона, равен: 16 х 2500 = 40 000 кг.
3. Общая нагрузка на грунт: 40 000/20 = 2 000 кг/ кв.м.

Расчет внецентренно-сжатой колонны по условной гибкости.

Как ни странно, но для подбора сечения внецентренно-сжатой колонны — сплошного стержня есть еще более простая формула:

где φ_е — коэффициент продольного изгиба, зависящий от эксцентриситета, его можно было бы назвать эксцентриситетным коэффициентом продольного прогиба, чтобы не путать с коэффициентом продольного прогиба φ. Однако расчет по этой формуле может оказаться более длительным чем по формуле (3.2). Чтобы определить коэффициент φ_е необходимо все равно знать значение выражения e_z·F/W_z — которое мы встречали в формуле (3.2). Это выражение называется относительным эксцентриситетом и обозначается m:

После этого определяется приведенный относительный эксцентриситет:

где h — это не высота сечения, а коэффициент, определяемый по таблице 73 СНиПа II-23-81. Здесь данную таблицу не привожу. Просто скажу, что значение коэффициента h изменяется в пределах от 1 до 1.4, для большинства простых расчетов можно использовать h = 1.1-1.2.

После этого нужно определить условную гибкость колонны λ¯:

и только после этого по таблице 3 определить значение φ_е:

Таблица 3. Коэффициенты φ_e для проверки устойчивости внецентренно-сжатых (сжато-изгибаемых) сплошностенчатых стержней в плоскости действия момента, совпадающей с плоскостью симметрии.

Примечания: 1. Значения коэффициента φ_е увеличены в 1000 раз.2. Значение φ_е следует принимать не более φ.

Теперь для наглядности проверим сечение колонн, нагруженных с эксцентриситетом, по формуле (4.1):

4.1. Сосредоточенная нагрузка на колонны, обозначенные синим и зеленым цветом, составит:

N = (100+100)·5·3/2 = 1500 кг

Эксцентриситет приложения нагрузки е = 2.5 см, коэффициент продольного изгиба φ = 0.425.

4.2. Значение относительного эксцентриситета мы уже определяли:

m = 2.5·3.74/5.66 = 1.652

4.3. Теперь определим значение приведенного коэффициента m_ef:

4.4. Условная гибкость при принятом нами коэффициенте гибкости λ = 130, прочности стали R_y = 200 МПа и модуле упругости Е = 200000 МПа составит:

λ¯ = 130√‾(200/200000) = 4.11

4.5. По таблице 3 определяем значение коэффициента φ_е≈ 0.249

4.6. Определяем требуемое сечение колонны:

F = 1500/(0.249·2050) = 2.94 см2

Напомню, что при определении площади сечения колонны по формуле (3.1) мы получили почти такой же результат.

Совет: Чтобы нагрузка от навеса передавалась с минимальным эксцентриситетом, в опорной части балки делается специальная площадка. Если балка металлическая, из прокатного профиля, то обычно достаточно приварить к нижней полке балки кусок арматуры.

И еще, любое отклонение колонны от вертикали с одной жестко защемленной опорой внизу будет приводить к возникновению дополнительного изгибающего момента в нижних сечениях колонны. При этом для колонн малого сечения такое отклонение будет более значимым, чем для колонн большого сечения. Теоретически влияние этого момента можно учесть при расчетах, однако возникновение дополнительного изгибающего момента из-за возможных просадок фундамента учитывается редко, а потому чем большее сечение будет принято для колонны, тем более надежной будет конструкция.

P.S. Я прекрасно понимаю, что человеку, впервые столкнувшемуся с расчетом строительных конструкций, разобраться в тонкостях и особенностях вышеизложенного материала бывает не просто, но тратить тысячи или даже десятки тысяч рублей на услуги проектной организации вы все равно не хотите. Что ж, я готов вам помочь. Больше подробностей смотрите в статье «Записаться на прием к доктору».

И еще, в последнее время развелось очень много тролят, задающих каверзные вопросы. Я в принципе не возражаю, задавайте. Но ответка может быть жесткой.

Разновидности

Материал позволяет получать из него разные замысловатые формы, однако многие металлические колонны имеют сечение в виде двутавра, прямоугольной или круглой трубы. Размеры сечения вычисляются расчетом на прочность (обычно на сжатие) и устойчивость. Последняя характеристика зависит от наличия связей, стоек фахверка и др.

В зависимости от конструктивного решения, колонны могут иметь постоянное, ступенчатое и составное сечение. Конструкция постоянного сечения представляет собой единый стержень, который используется в бескаркасных постройках, складах и ангарах. На нее можно устанавливать оборудование с грузоподъемностью максимум 20 т.

Ступенчатые колонны созданы для установки оборудования грузоподъемностью более 20 т. Благодаря специальному сечению повышается их жесткость на изгиб и улучшается устойчивость. Данная конструкция имеет две несущие ветви: основную и подкрановую.

Составные металлические колонны редко используются, и могут воспринимать разную нагрузку (относительно оси). Они нужны для:- установки кранов на небольшой высоте;- монтажа кранов в несколько ярусов;- реконструкции зданий.

Установка колонн

Монтаж металлических конструкций должен осуществляться так, чтобы отклонения по осям были не больше разрешенных СНиП (особенно касается фрезерованных поверхностей). Простые колонны устанавливаются целиком, а тяжелые собираются из составных элементов. Чтобы смонтировать, их необходимо захватить, поднять, подвести к опорам, выровнять и закрепить. Для захвата конструкций используются стропы, под которыми размещаются подкладки (например, из дерева). Подъем производится путем поворота или скольжения.

Существует несколько способов опирания базы на основание (узлы металлических колонн можно увидеть ниже):- на его поверхность без подливки раствором,- на стальные плиты с подливкой раствором;- на балки, рельсы (понадобится подливка базы раствором).

На практике используют более простой способ монтажа. В данном случае башмаки устанавливаются на сваренные между собой стальные подкладки, и скрепляются с низом колонн. Как только конструкции будут установлены и зафиксированы, их заливают раствором.

Монтаж колонн подразумевает тщательную выверку с помощью геодезических приборов и отвесов. При этом проверяются их отметки, вертикальность и положение в плане. Для крепления конструкций используются анкерные болты: понадобится 2-4 шт. для колонн высотой до 15 м. Дополнительную устойчивость обеспечат расчалки, которые снимаются после окончательного закрепления. Более высокие элементы дополнительно укрепляют распорками, временными связями и подкосами. Для получения устойчивого каркаса лучше монтировать колонны вместе с подкрановыми балками.

Процесс сооружения фундамента на металлических трубах.

Для начала необходимо подготовить площадку, на которой будет возведен фундамент. Места, где в грунт будут вводиться трубы, можно отметить колышками. Затем копают яму глубиной около 80 см. Данный этап является подготовкой к бурению. Количество труб определяется исходя из разработанного проекта дома. Если по проекту в доме будет находиться печь, то необходимо предусмотреть еще четыре стальные трубы. Затем берете бур с насадкой, диаметр которой превышает диаметр трубы на 5 см. Наступает этап сверления грунта. Если в грунте под фундамент находится большое количество корней, то перерубать их стоит с помощью заранее подготовленного куска арматуры с приваренным топориком на конце.

Определите глубину бурения. Если поверхность участка ровная, то этот этап не вызовет у вас затруднений. Главное помнить, что глубина бурения обязательно должна быть ниже глубины промерзания. Если же поверхность участка неровная и место, отведенное под фундамент слишком низкое, то стоит подсыпать грунт. Необходимо измерить самое высокое место участка и прибавить размер, на который следует выводить трубы из земли. Фактически это и есть высота металлического фундамента.

Сразу же после бурения отверстие засыпают песком, а затем гравием. Толщина каждого слоя должна составлять около 15 см. Затем заливают «подушку» — смесь, состоящую из цемента и гравия. Толщина этого слоя достигает 25 см. Под отверстие отмеряют трубу и обрезают, не забывая оставить небольшой запас. Внизу к трубе некоторые предпочитают приваривать «пятки». «Пятки» представляют собой квадратные металлические кусочки, углы которых выступают за края трубы.

Трубу металлического фундамента предварительно обрабатывают антикоррозийным средством. Это может быть мастика либо битум. Обработать следует участок, который будет выступать над землей. После этого трубу можно вставлять в отверстие. Для лучшего её захода используйте кувалду. Затем выставите трубу по уровню. Чтобы труба не косилась, ее необходимо подпереть. Уже после этого трубу можно засыпать либо залить бетоном. Бетон заливается в отверстие между трубой и землей вокруг нее. Труба также практически полностью заливается бетоном (смесью цемента и щебеня).

На этом этапе сооружения металлического фундамента можно сэкономить. Но делать это не рекомендуется. Экономят следующим образом: заливают бетон, затем засыпают песок, потом гравий и сверху опять бетон. Таким образом каждый «ингредиент» составит одну треть

Но в этом случае важно тщательно трамбовать щебень и песок, а в середину трубы рекомендуется вставить арматуру. Когда бетон схватится и труба немного осядет, необходимо произвести замер плоскости фундамента и под него подрезать трубы

Все трубы необходимо залить бетоном.

На следующем этапе строительства металлического фундамента по всему периметру и поперек него привариваются швеллеры. В зависимости от используемого строительного материала их размер может составлять 160-200 мм. В местах нахождения несущих стен должны быть вбиты трубы. К ним можно приваривать всевозможные металлические изделия, но обязательно достаточной толщины и ширины. При этом наружные края необходимо выводить вровень. Внутри же это условие соблюдать необязательно.

Если в трубу была вставлена арматура, ее нужно выпустить в отверстие швеллера и приварить.

Когда бетон затвердеет, фундамент стоит нагрузить, чтобы он осел. Для этого на него равномерно складывают весь материал. Процесс усадки фундамента может продолжаться один-два месяца. Теперь можно приступать непосредственно к строительству здания. Однако этот этап рекомендуется начинать по прошествии хотя бы месяца с момента заливки бетона.

Трубы металлического фундамента зашивают плитами из асбоцемента. Советуют сделать в них несколько «дверок», чтобы весной их можно было с легкостью проветрить, избежав сырости.

Пример сбора нагрузок на фундамент

Исходные данные:

Предполагается строительство жилого 2-х этажного дома с холодным чердаком и двухскатной крышей. Опирание крыши производится на две крайних стены и одну стену под коньком. Подвал не предусмотрен.

Место строительства — г. Нижегородская область.

Тип местности — поселок городского типа.

Размеры дома — 9,5х10 м по наружным граням фундамента.

Угол наклона крыши — 35°.

Высота здания — 9,93 м.

Фундамент — железобетонная монолитная лента шириной 500 и 400 мм и высотой 1 900 мм.

Цоколь — керамический кирпич, толщиной 500 и 400 мм и высотой 730 мм.

Наружные стены — газосиликат плотностью 500 кг/м3, толщина стеной 500 мм и высотой 6 850 мм.

Внутренние несущие стены — газосиликат плотностью 500 кг/м3, толщиной стены 400 м и высота 6 850 мм.

Перекрытия и крыша — деревянные.

Конструкции, которые могли бы задержать снег на крыше, не предусмотрены.

Разрез дома, с действующими нагрузками.

Требуется:

Собрать нагрузки на центральную ленту фундамента, расположенную под внутренней несущей стеной, если грузовая площадь от перекрытия 4,05 м2, а от крыши — 5,9 м2.

Сбор нагрузок на внутреннюю несущую стену.

Определяем нагрузки, действующие на 1 м2 грузовой площади (кг/м2) всех конструкций, нагрузка которых передается на фундамент.

— нижняя обшивка из досок t=30мм (ель ρ=450кг/м3)

Источник

Вид нагрузки	Норм.	Коэф.	Расч.
Нагрузка от пола 1-го этажа (q1)